KR20010022262A - 진공을 이용하는 수지 트랜스퍼 성형에 의해 형성된대규모 복합 코어 구조물 - Google Patents

진공을 이용하는 수지 트랜스퍼 성형에 의해 형성된대규모 복합 코어 구조물 Download PDF

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KR20010022262A
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스티븐 제이. 윈클러
조오지 씨. 3세 튜니스
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티피아이 테크놀로지, 인코포레이티드
스티븐 제이. 윈클러
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Abstract

본 발명은 진공 보조된 수지 트랜스퍼 성형 공정을 사용하여 제조된 대규모 복합 구조물에 관한 것이다. 구조물은 중공 셀 또는 포움 블록일 수 있는 코어(12)가 혼입된다. 각각이 섬유 재료(20, 22, 24)로 래핑될 수 있는 다수개의 코어(12)는 피층을 형성하기 위해 배열된 섬유 재료(20, 22, 24)를 사용하여 모울드(29) 상에 층으로 배열된다. 어셈블리는 진공백(30)하에 모울드(29) 표면으로 밀봉된다. 하나 이상의 주 공급기 도관(14)은 섬유 재료(20, 22, 24)로, 그리로 이를 통해 경화되지 않은 수지의 흐름을 용이하게 하는 보다 작은 채널의 수지 분배 망상구조로 연통식으로 구비된다. 수지 분배 망상구조는 표면 또는 코어(12) 및/또는 코어(12)의 둥근 코너에 형성되는 그루브(14)의 망상구조를 포함할 수 있다. 보다 작은 채널의 망상구조는 진공 백(30)과 섬유 재료(20, 22, 24) 사이에 제공되거나 진공 백(30)에 일체식으로 또는 별도의 분배 매체를 통해 제공될 수 있다. 섬유 재료(20, 22, 24)를 코어(12)의 표면에 이르도록 관통시킨 후, 수지는 다시 코어(12)의 그루브(14) 또는 둥근 코너에 의해 제공되는 공간을 거쳐 비교적 신속하게 이동하여 코어들(12) 간의 섬유 재료(20, 22, 24)와 경우에 따라 코어(12)와 모울드(29) 간의 섬유 재료를 관통한다.

Description

진공을 이용하는 수지 트랜스퍼 성형에 의해 형성된 대규모 복합 코어 구조물 {LARGE COMPOSITE CORE STRUCTURES FORMED BY VACUUM ASSISTED RESIN TRANSFER MOLDING}
진공을 이용하는 수지 트랜스퍼 성형법(VA-RTM)은 기포 및 발사 코어(balsa core)와 같은 물질을 혼입시키는 선체 외형과 같은 수많은 대규모 섬유 보강된 복합 구조물을 제조하는데 사용되어 왔다. 상기 코어는 섬유 보강된 수지로 피복된다. VA-RTM 공정에서, 직물 또는 매트와 같은 보강 섬유는 목적하는 최종 부품의 형태에 따라 목적하는 코어 재료와 함께 건조 조건에서 단일면의 모울드로 배열된다. 그 다음, 레이업(lay-up)은 진공백에서 캡슐화되고 진공하에서 수지로 함침된다. 수지는 경화된다.
보강 섬유를 통해 수지의 분배를 유도하고 향상시키는 다양한 방법이 이용되고 있다. 이들 방법들은 직물의 외면층에 걸친 1회용 분배 매체의 배치 과정 및 수지를 보강 섬유의 외부층에서 내부층으로 유동시키는 코어를 투과하는 구멍 및/또는 슬롯의 혼입 과정을 포함한다. 이에 대해서, 예컨대 U.S. 특허 제 5,316,462호 및 제 4,560,523호를 참조한다. 또한, 기포 코어중의 공급 그루브(groove)는 순환식 수지 주입 공정중에서 사용되어 수지의 유동을 촉진시킨다. 이에 대해서, 예컨대 U.S. 특허 제 5,096,651호를 참조한다.
발명의 요약
본 발명은 진공을 이용하는 수지 트랜스퍼 성형(VA-RTM) 방법을 이용하여 대규모 복합 구조물의 제조 과정에서 수지를 분배시키는 방법 및 이 방법에 의해 제조된 복합 구조물에 관한 것이다. 본 발명의 한 가지 구체예에서, 수지는 내부 코어의 표면에서 형성된 일련의 소형의 가는 그루브에 서로 연결되는 주 공급기 그루브의 망상구조에 직접 공급된다. 공급기 그루브 및 가는 그루브로부터, 수지는 보강 섬유를 투과하기 위해 코어로부터 바깥쪽으로 유동한다. 본 발명의 제 2 구체예에서, 별도의 분배 매체가 내부 코어 및 섬유 보강재 사이에 삽입된다. 수지는 코어 표면에서 하나 이상의 주 공급기 그루브에 직접 공급되고 분배 매체를 통해 보강 섬유를 투과한다. 또한, 주 공급기 그루브는 코어 둘레로 확장되어 공급 루프를 형성할 수 있으며, 이 루프는 횡구조물 성분이 함침되게 한다.
또 다른 구체예에서, 일체화된 진공 백과 모울드는 텍스쳐링된 금속 시이트로부터 형성된다. 직물은 시이트의 한면상의 밀폐되어 이격되어 있는 융기부로 형성되며, 이 융기부는 시이트의 나머지 한면의 함몰부에 상응한다. 밀폐되어 이격되어 있는 융기부는 그 사이에 골을 한정하여 수지 분배 망상구조를 형성한다. 주 공급기 그루브는 시이트에 직접적으로 형성된다. 직물 구성의 시이트는 또한 다른 장치를 제조하는 모울드로서 사용될 수 있다.
또 다른 구체예에서, 구조물은 코어를 포함하며, 코어는 수지의 유동을 촉진시키기 위해서 이들의 표면 및/또는 둥근 코너에 형성되는 소형 채널 또는 그루브의 망상구조를 갖는 중공 셀일 수 있다. 이 셀은 밀폐되어 있으며, 예를 들어 적합한 플라스틱 재료의 취입 성형에 의해 형성되는 중공 용기이다. 다수의 코어는 적당한 구성으로 배열되어 모울드 어셈블리의 단단한 모울드 표면에 대한 목적하는 구성물을 형성한다. 코어는 섬유 보강재에 의해 둘러싸일 수 있다. 모울드 어셈블리는 가요성부, 보편적으로 진공백을 포함하며, 이 진공백은 구조물 위에 놓이며, 외부면 주위에 진공관을 구비하고 있으며 단단한 모울드 표면으로 밀봉되어 있다. 진공백은 그 내부에 형성된 하나 이상의 주 공급관을 포함한다. 소형 채널의 망상구조가 주 공급관과 유체 연통이 이루어지는 진공백에 일체식으로 형성되거나 진공백 및 섬유 보강재 사이에 놓인 별도의 분배 매체를 통해 제공될 수 있다. 수지는 진공하에서 진공백중의 주 공급기 채널로 도입되고 소형 채널내로 및 이 채널을 따라 비교적 빠르게 이동한다. 소형 채널로부터, 수지는 이것이 코어의 표면에 도달할 때까지 코어의 상부에 대해 섬유 보강재가 함침되게 한다. 그 다음, 수지는 둥근 코너에 의해 한정되는 공간 및/또는 코어의 표면에서 형성되는 그루브를 통해 코어를 따라 비교적 빠르게 유동한다. 이렇게 하여, 수지는 인접하는 코어들 사이의 영역에서 보강재, 및 존재하는 경우, 코어의 기부와 단단한 모울드 표면 사이의 보강재를 투과시킨다. 수지가 경화된 후에, 진공백, 및 사용되는 경우 별도의 분배 매체는 제거되고, 최종 부품은 모울드로부터 분리된다. 코어는 최종 부품에 남게 된다.
이러한 방법으로, 다수의 코어를 필요로 하는 대규모 복합 구조물이 전형적인 비닐 에스테르 또는 폴리에스테르 수지의 겔화 시간에 앞서 빠르게 형성될 수 있으며, 사용되는 수지의 양은 감소될 수 있다. 진공백을 통해 공급기 그루브내로 직접 수지를 공급함으로써, 공급이 장치 중의 부품 엣지 또는 유입구에 제한되지 않는다. 인접하는 코어들은 단일 수지 유입구를 통해 공급될 수 있다. 수지 분배 망상구조는 분배 재료의 처리를 없애는 최종 부품중에 남아있을 수 있다. 이러한 경우에, 가는 그루브는 경화후에, 층간 전단 강도 및 박리 강도를 증가시킴으로써 수지로 채워진다. 전단 타이, 압축 웹, 또는 빔과 같은 구조적 특징들이 성형 과정에서 복합 부품내로 직접 혼입될 수 있다.
본 발명은 첨부되는 도면과 관련된 하기의 상세한 설명으로부터 더욱 완전히 이해도리 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 구체예에 따른 복합 구조물에 대한 코어의 투시도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 구체예에 따라 형성된 복합 구조물의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따라 형성된 또 다른 복합 구조물의 개략적인 투시도이다.
도 4는 본 발명에 따라 형성된 복합 구조물의 투시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 복합 구조물에 대한 또 다른 코어의 투시도이다.
도 6은 본 발명의 제 2 구체예에 따른 복합 구조물에 대한 코어의 투시도이다.
도 7은 본 발명의 제 2 구체예에 따라 형성된 복합 구조물의 개략적인 단면도이다.
도 8은 일체화된 모울드 및 진공 구조물을 사용하여 형성된 복합 구조물의 개략적인 단면도이다.
도 9는 복합 구조물을 형성하기 위한 단단한 모울드 및 가요성 리드(lid)의 개략적인 단면도이다.
도 10은 다수의 주 공급기 그루브를 갖는 복합 구조물에 대한 코어의 투시도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 구체예에 따라 복합 구조물을 형성하기 위한 일체화된 모울드 및 진공백의 개략적인 단면도이다.
도 12는 도 11의 일체화된 모울드 및 진공백을 형성하는 재료의 직물 구조 시이트의 한면의 투시도이다.
도 13은 도 12의 직물 구조 시이트의 나머지 한면의 투시도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 복합 구조물 및 모울드 어셈블리의 개략적인 부분 단면도이다.
도 15는 도 14의 복합 구조물에 사용되는 밀폐된 셀의 투시도이다.
도 16A, 16B, 16C 및 16D는 도 14의 복합 구조물에 사용되는 코어의 여러 가지 배열을 예시하는 것이다.
도 17A, 17B, 17C 및 17D는 여러 가지 섬유로 둘러싼 구성물을 예시하는 것이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 구체예에 따른 복합 구조물 및 모울드 어셈블리의 개략적인 부분 단면도이다.
도 19는 도 18의 라인 A-A를 따라 도시한 부분 단면도이다.
도 20은 본 발명에 따른 복합 구조물 및 모울드 어셈블리의 또 다른 구성의 개략적인 부분 단면도이다.
도 21은 본 발명에 따른 복합 구조물 및 모울드 어셈블리의 또 다른 구성의 개략적인 부분 단면도이다.
본 발명에 따라 제조된 대규모 복합 부품은 도 1에 도시된 코어(12)를 포함한다. 코어는 진공압을 지탱할 수 있는 재료로 제조된다. 전형적인 재료로는 폴리우레탄 또는 염화 폴리비닐과 같은 기포, 또는 발사 나무가 포함된다. 코어는 취입된 폴리에틸렌과 같이, 중공형이거나 고형물일 수 있다. 또한, 콘크리트가 사용될 수 있다. 하기에 추가로 설명되는 바와 같이, 다른 구성이 가능할지라도, 코어는 직사각형 블록으로 도시된다.
하나 이상의 주 공급기 그루브 또는 채널(14)는 코어의 표면(16)에 제공된다. 주 공급기 그루브는 전체 코어를 둘러싸서 루프를 형성할 수 있다. 주 공급기 그루브보다 단면적이 작은 채널을 포함하는 수지 분배 망상구조가 주 공급기 그루브와의 유체 연통을 위해 코어의 표면과 접촉하여 제공된다.
본 발명의 제 1 구체예에서, 수지 분배 망상구조는 도 1에 도시된 바와 같이, 코어(12)의 표면(16)에 기계에 의해 형성된 다수의 가는 그루브(18)의 형태로 제공된다. 가는 그루브(18)는 일반적으로 그루브(14)에 가로 질러 배열된다. 가는 그루브 중 일부는 전체 코어를 둘러싸서 주 공급기 그루브에서 시작하고 종결되는 수지 유동 루프를 형성한다. 주 공급기 그루브에 대한 가는 그루브의 실제 관계는 하기에 추가로 설명되는 바와 같이, 수지 함침의 최적화 및 코어의 기하학적 구조에 따라 좌우된다.
그루브의 망상구조가 있는 코어(14)는 도 2에 개략적으로 도시된 섬유 재료(20)의 하나 이상의 층으로 피복된다. 섬유 재료는 유리, 탄소, 또는 기타의 적합한 재료로 된 섬유로 형성된 천 또는 매트일 수 있다. 목적하는 최종 부품의 구조적인 필수 요건에 따라, 코어는 섬유 재료로 완전히 둘러싸일 수 있거나, 코어의 하나 이상의 표면에는 섬유 재료가 없을 수 있다. 섬유 재료는 코어 주위의 시이트를 감싸거나, 섬유 재료의 개개의 부분이 목적하는 코어 면에 도포될 수 있다. 섬유는 또한 코어가 삽입되는 관형으로 공급될 수 있다.
섬유로 감싼 다수의 코어는 목적하는 최종 부품을 형성하도록 배열된다. 2개의 코어가 도 2에 도시되어 있을지라도, 코어의 실제 수 및 배열은 목적하는 최종 부품에 의해 결정된다. 섬유 재료의 하나 이상의 층은 다수의 코어 주위를 감싸서 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이 외피층(22)를 형성할 수 있다. 특정수의 섬유 재료층, 종류 및 배열은 목적하는 최종 부품에 따라 좌우되며, 당업자들에 의해 용이하게 결정될 수 있다. 블리더(bleeder) 층은 일반적으로 외부 섬유층에서부터 진공 배출구(25)로 뻗어있는 탭(23)의 형태로 제공된다. 보편적으로 종래의 진공 공정에 필요한 피일 플라이(peel ply)는 본 발명의 공정에는 그다지 필요하지 않다.
코어를 둘러싸고 그 사이에 있는 섬유 재료(24)는 전단 타이, 압축 웹 및 빔과 같은 구조적 성분들을 형성한다. 예를 들어, 도 4와 관련하여, 다수의 삼각형 코어(40)는 덱(deck)을 형성하는데 사용된다. 인접하는 삼각형 코어 사이의 섬유 재료는 압축력과 전단력 둘 모두를 지탱하는 대각선 구조의 성분(41)을 형성한다.
레이업 과정에서, 플라스틱 및 구리 티(tee)와 같은 적합한 접합부(26)는 주 공급기 그루브(14)의 정위되어 수지 공급관(28)의 후속 삽입을 촉진시킨다. 하나 이상의 접합부는 각각의 공급기 그루브에 정위되어 목적하는 수지의 유동을 도모할 수 있다. 레이업은 모울드(29)에 대해 정위되고, 진공백(30)은 플라스틱 접합부를 포함하여, 레이업에 대해 정위되며, 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 당해 분야에 공지된 방법으로 모울드에 대해 밀봉된다. 그 다음, 진공백은 천공되고 공급관(28)은 진공백을 통해 각각의 접합부(26)내로 직접적으로 삽입된다. 공급관은 백에 밀봉되어 진공 통합부를 유지시킨다. 이러한 방식으로, 주 공급기 그루브에는 그루브내로 직접 삽입되는 공급관이 외부 진공백을 통과하므로써 수지가 직접 공급된다.
도 8에 있어서, 진공백 및 모울드는 또한 모울드로서의 모양을 유지하기 충분하게 단단하지만 진공의 적용시에 상기에 설명된 부분에 대해 부서지기 충분할만큼 가요성이 있다. 예를 들어, 일체화된 구조물(80)은 0.25인치 미만인 얇은 규격 강시이트를 포함할 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 코어(82) 및 섬유 재료(84,86)은 강 시이트에서 캡슐화된다. 시이트에 구멍이 뚫어져 접합부가 액세스된다. 수지 함침은 앞서 설명된 바와 같이 일어난다. 일체화된 구조물은 플라스틱이 적층된 금속과 같은 얇은 복합 시이트 재료, 고무 또는 실리콘과 같은 다른 적합한 재료로 형성될 수 있다.
도 9는 단단한 모울드(90)가 예를 들어 강 또는 플라스틱 재료로부터 형성된 가요성 리드(92)로 밀봉되는 또 다른 모울드의 구체예를 예시하는 것이다. 상기 설명된 코어 및 섬유 재료를 포함하는 부품은 단단한 모울드에 의해 한정되는 리세스(recess)에 정위된다. 리드중의 진공 그루브(96)은 상기 부분을 둘러싼다. 구멍은 리드 또는 모울드를 천공하여 제공되어 상기에 설명된 수지 함침을 위한 접합부를 액세스한다. 진공하에서의 수지 함침 과정에서, 리드는 진공 그루브의 엣지에서 구부러져서 상기 부분을 압착시킨다.
폴리에스테르, 비닐 에스테르, 에폭시, 페놀성, 아크릴성 또는 비스말레이미드와 같은 수지는 주 공급기 그루브(14)를 통해 가는 그루브(18)내로 비교적 빠르게 이동한다. 가는 그루브로부터, 수지는 섬유 재료(20,22)를 투과한다. 이러한 수지의 함침은 코어 표면(16)에서 배향되고 바깥쪽으로 상기 부분의 외부로 이동하는 수지 혼합물로부터 초래된다. 인접하는 코어 표면상의 섬유 재료는 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 인접하는 코어 중 하나의 주 공급기 그루브에 함침될 수 있다.
주 공급기 그루브의 단면적 및 마이크로그루브의 단면적 및 간격은 비함침 영역을 남겨두지 않고 수지가 경화 전에 섬유 재료 전부를 함침시키도록 적합한 시간을 제공하기 위해 최적화된다. 일반적인 주 공급기 그루브는 0.25 평방 인치의 단면적에 대해 깊이가 0.5 인치이고, 폭이 0.5인치이다. 일반적인 마이크로그루브는 약 0.016 평방 인치의 단면적에 대해 깊이가 0.125 인치이고, 폭이 0.125인치이다. 마이크로그루브는 중심에서 1.0 인치 이격될 수 있다. 이러한 치수는 상이한 유형 및/또는 두께의 보강 섬유 재료를 수용하도록 변형될 수 있다. 또한, 주 공급기 그루브의 단면적은 일부가 특별하게 큰 경우에 그 부분의 모든 부분에 수지를 보다 신속하게 분배하도록 증가될 수 있다. 유사하게, 다중 주 공급기 그루브(14)는 도 10에 도시된 바와 같이 코어(12)에 구비될 수 있다.
또한, 주 공급기 그루브 또는 마이크로그루브의 단면적은 특정 영역에서의 수지 체류 시간을 증가시키기 위해 유량을 제한하도록 감소될 수 있다. 수지의 체류 시간 또한 수지 흐름을 일시적으로 차단하는, 공급기 그루브에 수지 "퓨즈(fuse)"를 배치하므로써 증가될 수 있다. 퓨즈는 퓨즈의 길이에 의해 조정될 수 있는 소정의 시간이 경과한 후 수지와 접촉한 후에 용해된다. 예를 들어, 비닐 에스테르 수지의 경우에는, 스티로포움 퓨즈가 성공적으로 사용되어 왔다. 공급기 그루브는 또한 수지 흐름의 방향이 전환되도록 종결될 수 있다.
주 공급기 그루브(14)는 어느 한 코어에서 인접 코어로 수지가 흐르게 한다. 홀은 코어를 관통하여 구비되어 주 공급기 그루브를 연결시킬 수 있다. 각각의 주 공급기 그루브는 함침시키려는 부분의 형태 및 크기에 따라 수지와 동시에 공급되어 평행한 회로를 형성하거나, 규정된 순서로 일련의 회로를 형성할 수 있다. 또한, 주 공급기 그루브는 서로 독립적이여서 별개의 회로를 형성할 수 있다.
함침 후, 수지는 충분한 시간 동안 경화된다. 경화된 후, 마이크로그루브(18)는 고체 수지로 충전된다. 이 수지는 측면 로킹(locking) 메카니즘을 제공하여 섬유 보강 복합체와 코어간의 층간 결합 전단력을 증가시킨다. 그루브 망상 구조에 잔류하는 수지는 코어로부터 섬유 보강된 면 피층을 박리시키는 데 필요한 힘을 증가시킨다.
코어의 실제 배열 및 형상 및 개수는 목적하는 최종 부품에 의존한다. 예를 들어, 삼각형 코어(40)가 도 3에 도시된다. 삼각형 코어는 두개 이상의 면에 구비되는 주 공급기 그루브(42)를 가질 수 있다. 중앙 삼각형 코어(44)는 삼면에 주 공급기 그루브를 가질 수 있다. 마이크로그루브는 상기 기재된 바와 같이 표면에 구비된다. 다수의 삼각형 코어가 예를 들어 열로 배치되어 덱(deck)를 형성할 수 있다. 이러한 예에서, 관(46)을 통해 공급된 수지는 도 4의 어두운 영역으로 도시된 바와 같이 중심 코어에서 시작하여 가장자리 측으로 진행하여 연속적으로 함침된다.
아치형 코어(50)는 도 5에 도시된다. 아치형 코어(50)는 한면에 주 공급기 그루브(52)를 가지며, 코어를 둘러싸는 주 공급기 그루브로부터 방사되는 마이크로그루브(54) 망상 구조를 가질 수 있다. 아치형 코어는 선체 또는 아치와 같은 구부러진 구조물을 형성하는 데 사용될 수 있다.
도 6 및 7에 도시된 본 발명의 또 다른 구체예에서, 코어(60)에는 상기 기재된 바와 같이 주 공급기 그루브(62)가 구비된다. 이때 분배 매체(64)가 코어 면에 인접하여 구비된다. 매질은 진공이 적용되는 동안에 개방 상태로 통로를 유지할 수 있는 구조에 의해 형성된 개방 통로의 망상 구조를 포함한다. 예를 들어, 매질은 각각의 필라멘트 교차점에 배치된 기둥형 부재, 정렬된 스트립의 격자형 구조 또는 개방 직물에 의해 코어 표면으로부터 이격 관계로 유지되는 교차 필라멘트를 포함할 수 있다. 적합한 분배 매체가 본원에 참고 문헌으로 인용되는 미국 특허 제 4,902,215호 및 제 5,052,906호에 공지되어 있다. 이후, 섬유 재료(66)는 상기 기재된 바와 같이 분배 매체 위로 래핑(wrapping)된다. 다수의 코어가 배열되어 목적하는 최종 부품을 형성하고, 진공 백(68)이 상기 기재된 바와 같이 코어 및 섬유 재료 위로 배치된다. 수지 공급원으로부터 유도되는 수지 공급관(70)은 백(68) 및 섬유 재료(66)를 통해 주 공급기 그루브(62)의 접합부(72)에 삽입된다. 공급관(70)은 당해 공지된 방식으로 진공 백으로 밀봉된다. 수지는 주 공급기 그루브를 통해 비교적 신속하게 분배 매체로 이동한다. 분배 매체로부터, 수지는 섬유 재료를 관통한다. 적합한 시간 간격이 제공되어 수지가 경화된다.
수지 분배 매체는 마이크로그루브보다 전방으로 균일한 수지 흐름을 제공한다. 이러한 이유로, 수지 분배 매체는 일반적으로 보다 복잡한 부품에 대해 바람직한 반면, 마이크로그루브는 마이크로그루브를 통해 흐르는 수지의 양이 적기 때문에 수지를 보존하는 데 바람직하다.
도 11 내지 13에 도시된 추가의 구체예에서, 진공 백 및 모울드는 얇은 규격 강 시이트와 같은 텍스쳐링된 금속 시이트(104)로부터 형성된 단일 기구(102)로 일체화된다. 시이트는 모울드로서 그 형상을 유지하기에 충분히 견고하나, 하기 추가로 논의되는 수지 함침 공정 동안에 가해지는 진공하에 붕괴하거나 부품에 대해 견인되기에 충분히 가요성이다. 시이트의 두께는 0.25 인치가 적합한 것으로 나타났다. 텍스쳐링된 시이트로서 형성된 금속 및 플라스틱 라미네이트와 같은 플라스틱 또는 복합물이 사용될 수 있다.
바람직하게는, 텍스쳐는 시이트의 다른 측부상의 함몰부(106)에 상응하는 시이트(104)의 한 측부에 형성된 인접하게 이격된 융기부(108)에 의해 형성된다. 인접하게 이격된 융기부(108)는 수지 분배 망상 구조를 형성하는 골(110)을 규정한다. 예를 들어, 융기부는 일반적으로 3/8 인치 내지 7/16 인치의 최장 치수를 가지는 육각형 형상일 수 있다. 골의 깊이는 약 1/30000 인치가 적합한 것으로 밝혀졌다. 이와 같이 텍스쳐링된 시이트는 용이하게 형성가능하며, 이는 뉴저지에 소재하는 아모어 텍스쳐드 메탈 오브 에디슨(Ardmore Textured Metal of Edison)사로부터 구입할 수 있다. 다르게는, 이러한 텍스쳐는 경우에 따라 융기부가 다른 측부상에 상응하는 함몰부를 형성하지 않도록 시이트의 한 측부에 제공될 수 있다.
시이트는 캐비티의 내벽을 형성하는 시이트의 융기부와 함께 모울드 캐비티(118)를 가지는 바람직한 형태의 모울드(112)로 성형되어, 이로써 함침시키려는 부품과 접하게 된다. 주 공급기 그루브(114)는 상기 기재된 코어에서보다는 오히려 목적하는 위치에서 시이트(104)에 직접 형성된다. 주 공급기 그루브는 상기 논의된 바와 같은 치수를 가질 수 있다. 진공 배출 채널(116)은 장치의 주변 둘레에 형성된다.
복합 부품을 형성하기 위해, 섬유 레이업은 장치의 텍스쳐링된 면에 인접하는 캐비티(118)내에 배치되며, 이 장치는 당해 공지된 점성 테잎 또는 기타 밀봉제로 밀봉된다. 텍스쳐가 부품에 보유되지 않는 경우에는 피일 플라이가 사용될 수 있다. 다르게는, 피일 플라이는 텍스쳐를 부품 표면에 보유시키고자 하는 경우에는 생략될 수 있다. 부품상의 텍스쳐 형성은 부품에 어느 정도의 강성을 추가로 부여하여 미적 측면에서도 바람직하다. 섬유 레이업은 상기 논의된 바와 같은 섬유 재료로 래핑된 코어를 포함할 수 있다. 접합부는 상기 논의된 바와 같은 시이트에 형성된 천공을 통해 주 공급기 그루브에 삽입된다. 진공은 장치의 내부에 가해지고, 텍스쳐링된 재료의 시이트가 섬유 레이업에 인접하여 견인되어 융기부의 상단부가 섬유 레이업과 접촉하나 골은 개방된 상태로 남게하여 좁은 상호 연결 통로의 망상 구조를 형성하고, 이를 통해 수지가 흐를 수 있도록 한다. 진공하에서, 수지는 먼저 주 공급기 그루브로 견인된 후, 골로 견인된다. 골로부터, 수지는 섬유 재료를 완전히 함침시킬 수 있으며, 이후 최종적으로 그 주변의 진공 출구 채널로 흐른다. 수지는 충분한 시간 동안 경화된다. 경화 후에, 부품은 장치로부터 분리된다.
또 다른 구체예에서, 텍스쳐링된 시이트는 통상의 모울드와 결합하여 리드로서 사용될 수 있다. 섬유 레이업은 모울드 표면에 대해 배치된다. 텍스쳐링된 시이트는 섬유 레이업 상에 배치되고, 적합한 방식으로 모울드에 대해 밀봉된다. 추가의 수지 분배 매체는 통상의 모울드 표면에 인접하여 사용될 필요가 있다. 수지 함침은 상기 논의된 바와 같이 일어난다.
텍스쳐링된 시이트는 또한 세라믹과 같은 다른 재료로부터 장치를 제조하는 데 사용되는 주모울드로서 사용될 수 있다. 이후, 장치는 수지 함침 공정에서 모울드로서 사용된다. 이러한 경우에, 시이트는 장치의 음판을 포함할 수 있다. 즉, 오목부를 갖는 시이트 측부가 장치를 형성하는 데 사용된다. 형성된 장치는 골에 의해 분리된 융기부의 구성을 가지며, 이는 상기 논의된 바와 같은 수지 분배 매체를 형성한다. 세라믹 모울드는 일반적으로 구부러지지 않아 진공하에 부품으로 인해 붕괴한다. 이러한 경우에, 당해 공지된 바와 같이 별도의 진공 백이 모울드와 함께 사용된다.
도 14 내지 21은 본 발명의 또 다른 구체예를 도시하고 있는 이들 구체예는 중공 코어 또는 포움 코어 판넬과 같은 샌드위치형 구조물을 형성하기에 특히 적합하다. 이러한 구조물은 다수개의 코어(132)로 형성되며, 이들 코어는 형성시키려는 목적하는 최종 부품에 따라 어레이되는 중공 셀(도 14) 또는 포움 블록(도 21)일 수 있다. 하나 이상의 섬유 재료(134) 층이 어레이된 코어의 상단면(136) 및 하단면(138)을 덮어 구조물의 피층을 형성한다. 섬유 재료는 또한 각각의 코어(132) 및/또는 여러 코어 사이의 영역내에 위치할 수 있으며, 이들 영역은 코어의 측부에 대해 부분적으로 또는 완전히 섬유 재료(135)로 래핑될 수 있다. 이러한 방식으로, 각각의 코어는 섬유 재료로 부분적으로 또는 완전히 덮일 수 있다. 섬유 재료는 유리 섬유, 탄소 섬유, 케블라(KEVLAR) 섬유 또는 기타 적합한 재료로 형성된 천 또는 매트(mat)일 수 있다. 섬유 재료는 코어 둘레를 시이트로 래핑되거나, 각각의 섬유 재료 조각이 목적하는 코어면에 도포될 수 있다. 섬유는 또한 코어가 삽입되는 원통형으로 제공될 수 있다. 도 17a 내지 17d에 도시된 바와 같이, 섬유는 코어의 측부를 둘러싸 상단부 및 저부에서 종료되거나, 각각의 코어의 상단부 및/또는 저부를 약간 래핑하거나, 각각의 코어의 상단부와 저부를 완전히 래핑할 수 있다. 코어를 둘러싸며 코어들 사이에 있는 섬유 재료는 전단 타이, 압축 웹 및 빔과 같은 구조적 부재를 형성한다. 유리하게는, 섬유 재료는 다축 브레이드(braid), 즉 이축, 삼축 또는 사축 브레이드와 같은 여러 방향으로 일어나는 응력을 전달하기 위해 다중 방향으로 제공되는 섬유를 가지는 브레이드로서 제공될 수 있다. 브레이드 섬유의 배향은 최종 부품의 구조적 요건에 부합하도록 선택될 수 있다.
도 15는 측부에 일체식으로 형성된 하나 이상의 그루브(142)를 가지는 폐쇄된 격납기 또는 셀을 포함하는 중공 코어(132)를 도시한 것이다. 바람직하게는, 각각의 중공 코어는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐 클로라이드(PVC) 또는 나일론과 같은 합성수지 물질로 형성된다. 이들 코어는 당해 공지된 바와 같이 취입 성형(blow molding) 과정에 의해 형성될 수 있다. 사출 성형, 쌍판 진공 성형(twin sheet vacuum forming) 또는 회전 성형과 같은 기타 공정이 사용될 수 있다. 취입 성형된 셀의 경우에, 그루브는 일반적으로 단면적이 V 형상이 되는데, 그 이유는 V자형상이 모울드로부터의 셀의 제거를 용이하게 하기 때문이다. 그러나, U자형과 같은 다른 형상이 사용될 수 있다. 그루브(142)는 상기 논의된 바와 같이 사이징되어 이에 따른 수지의 흐름을 용이하게 한다. 일반적으로, 그루브는 마이크로그루브로서 작용을 한다. 일반적으로, 코어가 크면 클수록, 그루브의 단면적이 커진다. 주 공급기 그루브는 일반적으로 하나 이상의 공급기 그루브가 경우에 따라, 특히 코어가 큰 경우에 제공될 수 있다고 하더라도 코어의 표면에 필요하지 않다. 그루브는 도 15에 도시된 대각선 구성과 같은 적합한 구성으로 형성될 수 있다. 대각선 구성은 취입 성형 장치로부터의 용이한 방출을 위해 제공된다. 바람직하게는, 그루브는 코어를 둘러싸 수지가 코어의 모든 측부로의 이동을 용이하게 한다. 코어의 코너는 또한 바람직하게는 둥글게 되거나 모서리가 떼어져 있어, 코어의 측부 둘레로의 수지 흐름을 더욱 용이하게 한다. 몇몇 경우에, 특히 측부상의 코어가 1 또는 2인치와 같이 작은 경우에 둥근 코너는 단독으로 도 18 및 도 19에 도시된 코어면의 추가 그루브 없이도 수지 흐름을 충분히 용이하게 할 수 있다. 코어는 사각형 박스(도 15에 도시됨), 원통형 또는 긴 삼각형 또는 육각형과 같은 적합한 형상을 가질 수 있으며, 도 16a 내지 16d에 도시된 바와 같이 적합한 형태로 배열될 수 있다.
섬유 재료(135)로 래핑될 수 있는 코어(132)는 모울드 어셈블리의 강성면(144)에 대해 배열된다. 도 14는 코어가 모든 측부에 섬유 재료로 래핑된 구체예를 도시하고 있다. 도 18 및 19는 코어가 섬유 재료로 래핑되지 않거나 그루브가 구비되어 있지 않은 구체예를 도시한 것으로, 수지는 코어의 둥근 코너(133)을 거쳐 상부에서 저부면으로 흐른다. 모울드 어셈블리는, 일반적으로 구조물 상에 배치되며, 둘에에 밀봉제(149)를 갖는 모울드 표면에 부착된 진공 백(146)인 가요성부를 포함한다. 진공백은 하나 이상의 주 공급기 채널(148)을 포함하는 이들 채널은 백과 일체식으로 형성되거나(도 14), 이와 별도로 형성될 수 있다(도 21). 작은 교차 채널(150)의 수지 분배 망상구조는 주 공급기 채널(148)과 유체 연통하도록 제공될 수 있다. 보다 작은 채널이 본원에서 참고 문헌으로 인용되는 미국 특허 제 5,439,635호 및 제 5,316,462호에 기재된 바와 같이 진공 백(도 20에 도시됨)과 일체식으로 형성될 수 있다. 보다 작은 채널 또한 상기 기재된 문헌 및 미국 특허 제 5,952,906호 및 제 4,902,215호에 기재된 바와 같이 별개의 분배 매체에 의해 구비될 수 있다. 피일 플라이(151: 도 21에 도시됨)은 경우에 따라 사용될 수 있다. 진공원(미도시됨)에 연결된 진공 채널(152) 또는 블리더(bleeder)(153) 또한 구조물 주변에 구비된다.
수지 공급원(미도시됨)은 진공백(146)내 주 공급기 채널(148)에 직접 연결된다. 진공은 진공 채널(152)에 의해 유도되며, 이는 섬유 재료내 구멍으로부터 공기를 배기시킨다. 수지 공급원이 개방되고, 수지는 진공에 의해 비교적 신속하게 주 공급기 채널(148)에 진공 백의 작은 채널(150) 또는 별도의 분배 매체를 통해 유도된다. 수지는 코어(132)의 상면(136)을 덮고 있는 섬유 재료(134)를 관통하여 코어의 표면에 이른다. 수지는 다시 비교적 신속하게 코어(132)의 그루브(142)를 따라 이동하여, 인접하는 코어 사이 및 코어와 모울드(144) 사이의 영역(140)의 섬유 재료(135)를 관통한다. 점도가 낮은 수지가 사용될 수 있으며, 이는 또한 마이크로그루브의 신속한 이동과 섬유 재료의 관통을 용이하게 한다. 코어가 대기압에서 형성된 중공 셀인 경우에, 이들 코어는 진공 하에서 서로에 대해 그리고 섬유 재료에 대해 외측으로 밀게 된다. 이는 섬유 재료내 구멍 공간을 최소화시키며, 최소량의 수지가 사용되도록 보장한다.
형성된 복합 구조물은 상당히 강하다. 전폭이 4 및 5 피트이고, 깊이가 약 8인치인 여러 덱 구성물이 파손될 때까지 적재된다. 덱은 31 내지 92킵스(kips)의 범위에서 파손되었다. 코어 사이의 영역(140)내 웹은 구조적으로 연속식이다. 즉, 어느 한 방향으로 연장되는 웹은 다른 방향으로 연장되는 웹을 통해 물리적으로 교차하지 않는다. 그러나, 이들의 응력은 웹이 양 방향으로 계속되는 것처럼 작용한다. 이는 인접하는 전단 하중이 웹으로 이동되도록 할 수 있다. 추가로, 이러한 방식으로 형성된 판넬은 예를 들어, 구조적으로 대등한 강 구조보다 얇을 수 있는 데, 그 이유는 제 1 방향으로 연장되는 강 I자형 빔은 다른 방향으로 연장되는 I자형 빔을 통해 사실상 교차할 수 없기 때문이다. 또한, 코어는 상기 구조물내 남게 되며, 구조물의 강도에 기여할 수 있다. 추가로, 마이크로그루브의 수지는 경화 후에 남아 있게 되어 층간 전단 강도 및 박리 강도를 증가시키며, 버클링(buckling)에 대한 추가 저항성을 제공한다.
본 발명의 코어는 경우에 따라 하나 이상의 코어 깊이로 배열될 수 있다. 이러한 경우에, 섬유 재료는 코어 층 사이에 위치한다. 이러한 구성은 예를 들어, 내화성 또는 지진 저항성을 제공한다. 내화성과 관련하면, 한 층이 타버리게 되는 경우, 다른 층이 여전히 그 자리에 남아 있을 수 있다. 지진 내성과 관련하면, 추가 강도가 다층 코어에 의해 제공될 수 있다.
본 발명은 첨부되는 청구의 범위를 제외하고는 특별히 도시되거나 기재된 것들로 제한되지 않는다.

Claims (39)

  1. 외주면을 가지며, 상부면 및 저부면을 제공하는 층에 배열되는 다수개의 코어를 제공하는 단계;
    섬유 재료로 어레이의 적어도 상부면을 피복시키는 단계;
    섬유 재료와 코어 사이의 공간을 통해 경화되지 않은 수지를 분배하기 위해 배열되는 채널의 수지 분배 망상구조를 제공하는 단계;
    수지 분배 망상구조와 유체 연통하며, 수지 분배 망상구조의 개개의 채널보다 단면적이 큰 공급기 채널을 제공하는 단계;
    코어 및 섬유 재료를 성형 구조물내 수지 분배 망상 구조 및 공급기 채널로 밀봉시키는 단계로서, 적어도 성형 구조물의 제 1 부가 모울드면을 포함하고, 적어도 성형 구조물의 또 다른 일부가 코어 및 섬유 재료의 인접부에 대해 진공하에 붕괴가능한 가요성부를 포함하는 단계;
    가요성부를 통해 경화되지 않은 수지 공급원을 공급기 채널에 연결시키는 단계;
    성형 구조의 내부를 진공 출구에 연결시키는 단계;
    공급기 채널 및 수지 분배 망상구조를 통해 진공하에서 경화되지 않은 수지를 성형 구조물에 강제 충전시켜 섬유 재료와 코어들 간의 공간을 수지로 함침시키는 단계 및
    수지를 경화시켜 복합 구조물을 형성시키는 단계를 포함하여 복합 구조물을 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 수지 분배 망상구조가 각각의 코어의 외주면 배열을 포함하여 인접하는 코어들간에 상부면에서 저부면으로의 흐름 경로를 제공함을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 원주면 배열이 코어의 원주면에 일체식으로 형성된 채널을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 채널이 각각의 코어를 둘러쌈을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 원주면 배열이 각각의 코어에 대해 둥근 엣지를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 수지 분배 망상구조가 코어 및 섬유 재료의 인접부와 가요성부 사이에 별도의 수지 분배 매체를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 별도의 수지 분배 매체가 각각의 필라멘트 교차점에 위치한 기둥형 부재, 배열된 스트립의 격자형 구조, 또는 개방된 직물에 의해 섬유 재료로부터 이격된 관계로 유지되는 교차 필라멘트를 포함함을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 수지 분배 망상구조가 가요성부의 표면에 일체식으로 형성된 교차 채널을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 가요성부가 진공 백을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 공급 채널 및 수지 분배 망상구조가 경화전에 수지가 코어를 둘러싸는 섬유 재료를 완전히 충전하도록 사이징되어 배열됨을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 각각의 코어가 중공 내부를 가지는 폐쇄된 셀을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 추가 섬유 재료 중의 각각의 코어의 적어도 일부를 래핑 시키는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 추가 섬유 재료가 각각의 코어의 측부를 둘러쌈을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 추가 섬유 재료가 코어의 상부면 위와 저부면 아래로 연장됨을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 12 항에 있어서, 추가 섬유 재료가 각각의 코어의 측부와 코어 상단면의 적어도 일부 및 하부면의 적어도 일부를 둘러쌈을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 11 항에 있어서, 수지 분배 망상구조가 각각의 셀의 외주면에 일체식으로 형성된 V자형 채널을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 11 항에 있어서, 폐쇄된 셀이 박스형임을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 11 항에 있어서, 폐쇄된 셀이 원통형임을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 11 항에 있어서, 폐쇄된 셀이 긴 삼각형 형상임을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 11 항에 있어서, 폐쇄된 셀이 긴 육각형 형상임을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 11 항에 있어서, 취입 성형 공정, 사출 성형 공정, 진공 성형 공정 또는 회전 성형 공정에 의해 합성 수지 물질의 폐쇄된 셀을 형성시킴을 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 1 항에 있어서, 코어가 다수개의 층으로 배열되며, 섬유 재료가 층 사이에 제공됨을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 1 항에 있어서, 코어가 포움 물질로 형성됨을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 1 항에 있어서, 공급기 채널이 성형 구조물의 가요성부에 일체식으로 형성된 채널을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 1 항에 있어서, 공급기 채널이 성형 구조물의 가요성부 내면 아래에 배치되는 천공 도관을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 1 항에 있어서, 공급기 채널이 하나 이상의 코어 외주면에 일체식으로 형성된 채널을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  27. 각각이 원주면을 가지며 상부면과 저부면을 가지는 층으로 배열되는 코어로서, 각각의 원주면이 수지 분배 망상 구조를 형성하는 상부면에서 저부면으로의 인접하는 코어들 간에 채널을 제공하는 배열을 가지는 코어;
    코어의 층 위에 상부피층 및 저부 피층을 형성하는 섬유 재료;
    섬유 재료와 채널의 망상 구조를 함침시키는 경화된 수지를 포함하는 복합 구조물.
  28. 제 27 항에서, 각각의 코어가 폐쇄된 중공 셀임을 특징으로 하는 복합 구조물.
  29. 제 27 항에서, 각각의 코어가 취입 성형된 격납기임을 특징으로 하는 복합 구조물.
  30. 제 27 항에서, 각각의 코어가 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐 클로라이드 또는 나일론 물질로부터 제조됨을 특징으로 하는 복합 구조물.
  31. 제 27 항에서, 각각의 코어가 추가의 섬유 재료에 의해 상부면과 하부면 사이에서 둘러싸임을 특징으로 하는 복합 구조물.
  32. 제 27 항에서, 각각의 코어를 둘러싸는 추가의 섬유 재료가 다축 편물임을 특징으로 하는 복합 구조물.
  33. 제 27 항에서, 각각의 코어가 둥근 엣지를 가짐을 특징으로 하는 복합 구조물.
  34. 제 27 항에서, 각각의 코어의 원주면 배열이 코어를 둘러싸는 하나 이상의 채널을 형성함을 특징으로 하는 복합 구조물.
  35. 제 27 항에서, 채널이 V자형임을 특징으로 하는 복합 구조물.
  36. 제 27 항에서, 각각의 코어가 박스형임을 특징으로 하는 복합 구조물.
  37. 제 27 항에 있어서, 각각의 코어가 원통형임을 특징으로 하는 복합 구조물.
  38. 제 27 항에 있어서, 각각의 코어가 긴 삼각형 형상임을 특징으로 하는 복합 구조물.
  39. 제 27 항에 있어서, 각각의 코어가 긴 육각형 형상임을 특징으로 하는 복합 구조물.
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